DE3434744A1

DE3434744A1 - Verfahren zur herstellung von warmgewalzten stangen

Info

Publication number: DE3434744A1
Application number: DE19843434744
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: SOMMER, RICHARD, 8900 AUGSBURG, DE
Priority date: 1984-09-21
Filing date: 1984-09-21
Publication date: 1986-04-03
Also published as: DE3434744C2

Description

Verfahren zur Herstellung von warmgewalzten Stangen
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von aus mikrolegierten Stählen gewalzten Stangen mit Merkmalen, wie in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bis 4 angegeben.
Statisch und/oder dynamisch hochbelastbare stangenförmige Maschinenteile wie Schrauben, Achsen, Wellen, Drehfederstäbe oder dergl. werden in der Regel aus Stangen gefertigt, die aus Vergütungsstählen warmgewalzt und vergütet worden sind. Derartige Stähle sind relativ teuer, weil sie bis zu mehreren Prozent Legierungselemente und eine beachtlich energieverbrauchende Wärmebehandlung benötigen. Es wurde zwar schon vorgeschlagen, für hochbelastbare Maschinenteile mikrolegierte Stähle schmiedeperlitisch zu verwenden. Es sind bisher aber noch keine Methoden bekannt geworden, mit denen die für solche stangenförmigen Maschinenteile notwendig hohe Festigkeit zugleich mit einer hohen Kerbschlagzähigkeit hätte erzielt werden können. Erst dies hätte einen unbedenklichen Einsatz mikrolegierter Stähle insbesondere für extrem hochbelastbare und auch für relativ querschnittgroße Maschinenteile der angegebenen Art ermöglicht. Hier Abhilfe zu schaffen, war ein Ziel der Erfindung.
Es ist dementsprechend Aufgabe der Erfindung, für die Herstellung von statisch und/oder dynamisch hochbelastbaren stangenförmigen Maschinenteilen aus mikrolegierten Stählen gewalzte Stangen bereitzustellen und Verfahren zu schaffen, mit denen für solche Stähle nach bisherigen Methoden nicht erreichte Festigkeits- und Zähigkeitswerte erzielbar sind, dahingehend, daß in den Stangen - die Streckgrenze vom Rand zum Kern hin nahezu gleich bleibt oder zum Kern hin nur geringfügig abnimmt, was bei besonders hohen Randwerten und großen Abmessungen maximal bis zu 20 % sein kann, - die Proportionalitätsgrenze bei niedrigem Mangangehalt fast gleich und bei höherem Mangangehalt nur geringfügig niedriger ist als die Streckgrenze und auch wie letztere zum Kern hin entsprechend abfällt, - das Verhältnis Streckgrenze zu Bruchfestigkeit stets größer ist als 0,65 und bis etwa 0,8 gehen kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 gelost. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Verfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachstehend sind die erfindungsgemäßen Verfahren detailliert beschrieben.
Die erfindungsgemäßen Verfahren dienen generell zur Herstellung warmgewalzter Stangen, aus denen stangenförmige statisch und/oder dynamisch hochbelastbare Maschinenteile gefertigt werden können, bei denen es sich um Schrauben, Wellen, Achsen, Drehfederstäbe oder dergl.
handeln kann. Diese beispielhafte Aufzählung von Maschinenteilen soll deren Art jedoch in keiner Weise beschränken, sondern nur mögliche Anwendungen der nach den erfindungsgemäßen Verfahren gewalzten Stangen aufzeigen.
Für Stangen und daraus herzustellende Maschinenteile mit einem Querschnitt bis zu etwa 200 cm2 wird ein mikrolegierter Stahl verwendet, der (angegeben in Gewichtsprozent) 0,3 bis 0,65 % Kohlenstoff, weniger als 1,2 % Silizium, 0,3 bis 0,8 % Mangan, weniger als 0,065 % Schwefel, insgesamt 0 bis 0,7 % Chrom und/oder Nickel und/oder Kupfer und/oder Molybdän, 0,005 bis 0,025 % Stickstoff, und als feinkornbildende und/oder ausscheidungshärtende Elemente insgesamt 0,05 bis 0,20 % Vanadium und/oder Niob und/oder Titan und/ oder Aluminium und/oder Zirkon, ferner 0,0005 bis 0,005 % Bor, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen aufweist, wobei der Chrom-und Mangananteil insgesamt nicht größer als 1,0 % ist.
Aus einem solchen Stahl werden auf einer Walzstraße Stangen gewalzt und zwar so, daß die Walzung derselben innerhalb eines Temperaturbereichs von 800 OC bis 1150 0c beendet ist.Anschließend werden diese noch eine im genannten Bereich liegende Walzendtemperatur aufweisenden Stangen gesteuert abgekühlt, und zwar a) durch ein gasförmiges oder flüssiges oder als Sprühnebel zerstäubtes Kühlmittel, b) mit einer im verwendeten Stangenwerkstoff unter Vermeidung einer nennenswerten Bainitbildung eine Ausscheidungshärtung und/oder Feinkornbildung sowie ein möglichst vollständiges ferritisch-perlitisches Gefüge bewirkenden Abkühlgeschwindigkeit von etwa 1,5"C bis 10°C pro Sekunde, c) auf eine Temperatur, die um wenigstens 50"C unterhalb jener Temperatur liegt, bei der die Umwandlung des Gefüges in Ferrit und Perlit beendet ist.
Eine solche wie vorstehend beschriebene gesteuerte Abkühlung ist auch bei solchen werkstoffgleichen und querschnittsgleichen Stangen mit gleich hervorragenden Ergebnissen durchzuführen, bei denen die Walzung nicht bei der für die erstrebte Festigkeit und Zähigkeit erforderlichen Temperatur in dem bereits genannten Bereich beendbar ist.
In diesem Fall werden die Stangen nach dem Warmwalzen einer speziellen Wärmebehandlung unterzogen und dabei, ausgehend von einer Temperatur, bei der das Gefüge ferritisch-perlitisch ist, nochmals auf eine Temperatur im Bereich zwischen 800"C und 100000 erwärmt. Ausgehend von einer in diesem Bereich liegenden Temperatur werden die Stangen dann durch ein gasförmiges oder flüssiges oder als Sprühnebel zerstäubtes Kühlmittel oder durch Wirbelschichtkühlung gesteuert mit einer Geschwindigkeit von 1,5"C bis 10°C pro Sekunde abgekühlt.
In einem anderen Fall wird für Stangen und daraus herzustellende Maschinenteile mit einem beliebigen Querschnitt ein mikrolegierter Stahl verwendet, der (angegeben in Gewiechtsprozent) 0,3 bis 0,65 % Kohlenstoff, weniger als 1,2 % Silizium, mehr als 0,8 % Mangan, weniger als 0,065 % (Fortsetzung auf Seite 5 der ursprünglichen Anemldung) Schwefel, insgesamt 0 bis 0,7 % Chrom und/oder Nickel und/oder Kupfer und/oder Molybdän, 0,005 bis 0,025 % Stickstoff, und als feinkornbildende und/oder ausscheidungshärtende Elemente insgesamt 0,05 bis 0,20 % Vanadium und/oder Niob und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Zirkon, ferner 0,0005 bis 0,005 % Bor, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen aufweist, wobei der Chrom- und Manqananteil insqesamt nicht größe'. als 2,0 % ist.
Auch in diesem Fall werden aus dem genannten Stahl auf einer Walzstraße Stangen gewalzt, so daß auch hier die Walzung derselben in einem Temperaturbereich zwischen 800 OC und 1150 OC beendet ist.
Anschließend werden auch diese Stangen ausgehend von einer noch im angegebenen Bereich liegenden Walzendtemperatur gesteuert abgekühlt durch ein gasförmiges oder flüssiges oder als Sprühnebel zerstäubtes Kühlmittel, mit einer im Stangenwerkstoff unter Vermeidung einer nennenswerten Bainitbildung eine Ausscheidungshärtung und/oder Feinkornbildung sowie ein möglichst vollständiges ferritisch - perlitisches Gefüge bewirkenden Abkühlgeschwindigkeit von etwa 0,5 bis 5 OC pro Sekunde, auf wenigstens 50 OC unterhalb jener Temperatur, bei der Umwandlung in Ferrit und Perlit beendet ist.
Diese wie vorstehend beschriebene Abkühlung ist ebenfalls bei solchen werkstoffgleichen und querschnittsgleichen Stangen mit gleich hervorragenden Ergebnissen durchzuführen, bei denen die Walzung nicht bei der für eine erstrebte Festigkeit und Zähigkeit erforderliche Temperatur im bereits beschriebenen Bereich beendbar ist. Es ist dann eine spezielle Wärmebehandlung durchzuführen, bei der die Stangen nach dem Warmwalzen, ausgehend von einer Temperatur, bei der das Gefüge ferritisch-perlitisch ist, nochmals auf eine im Bereich zwischen 800"C und 1000"C liegende Temperatur erwärmt werden. Ausgehend von einer in diesem Bereich liegenden Temperatur werden die Stangen dann wiederum durch ein gasförmiges oder flüssiges oder als Sprühnebel zerstäubtes Kühlmittel oder durch Wirbelschichtkühlung gesteuert mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 5"C pro Sekunde abgekühlt auf wenigstens 50"C unterhalb jener Temperatur, bei der Umwandlung in Ferrit und Perlit beendet ist.
Für die meisten Maschinenteile, bei denen eine hohe Zähigkeit vorrangig gegenüber einer hohen Elastizität ist, kann es genügen, wenn die Stangen aus einem Stahl gewalzt werden, der weniger als 0,6 % Silizium aufweist.
In vielen Fällen genügt es, wenn die Stangen in der angegebenen Verfahrensweise abgekühlt werden. Für den Fall, daß die daraus herzustellenden Maschinenteile eine äußerst hohe Dauerfestigkeit aufweisen sollen, ist es zweckmäßig, daß die gesteuerte Abkühlung in der angegebenen Verfahrensweise bis auf eine Temperatur unter 250"C erfolgt.
Maschinenteile erfordern ihrer Zweckbestimmung entsprechend in der Regel entweder eine sehr hohe Zähigkeit bei gleichzeitig nicht so hoher Festigkeit oder eine sehr hohe Festigkeit bei gleichzeitig nicht so extrem hoher Zähigkeit. Für den (Fortsetzung auf Seite 7 der ursprünglichen Anmeldung) Fall einer erforderlich hohen Zähigkeit, jedoch nicht so hoher Festigkeit liegt eine Temperatur, von der ausgehend die Stangen für solche Maschinenteile generell abgekühlt werden, im angegebenen Temperaturbereich näher bei 800 °C, beispielsweise bei 820 OC. Für den Fall dagegen, daß eine sehr hohe Festigkeit, jedoch nicht so extrem hohe Zähigkeit erforderlich ist,liegt die Temperatur, von der ausgehend die Stangen für diese Maschinenteile abgekühlt werden, im angegebenen Temperaturbereich näher zu dessen Obergrenze hin, also etwa bei 950 OC. Bei Beginn der gesteuerten Abkühlung zwischen den genannten Grenzwerten 820 OC und 9500C erzielt man Relationen von Festigkeit zu Kerbschlagzähigkeit, die zwischen jenen der genannten Extremwerte liegen.
Bei nach den erfindungsgemäßen Verfahren warmgewalzten und behandelten Stangen werden im Stangenquerschnitt im Abstand von einen Sechstel des Durchmessers vom Stangenrand in Walzrichtung folgende Festigkeits- und Zähigkeitswerte erzielt, und zwar unterschieden nach den ollen, ob höchste Festigkeit bei gleichzeitig nicht so hoher Zähigkeit, oder höchste Zähigkeit bei gleichzeitig nicht so hoher Festigkeit notwendig war -siehe nachfolgende Tabelle.

Stangen für Maschinenteile mit gewünscht

höchster höchster

Festigkeit Zähigkeit

bei gleich- bei gleich-

zeitig nicht zeitig nicht

so hoher so hoher

Zähigkeit Festigkeit

mindestens mindestens

- Streckgrenze R0,2 [N:mm²] 640 580

- Proportionalitätsgrenze [N/mm²] 620 550

-Dehnung A [% zu18 22

- Einschnürung Z [% ] 45 50

- Kerbschlagzähigkeit gemessen

an ISO-U-Proben [ J ] 25 35

- Zug-Druck-Wechselfestigkeit

an an gestrahlten Proben 440 400

mit 16 mm [ N/mm² ]

Die in vorstehender Tabelle angegebenen Werte sind Minimalwerte.

In Praxistests sind diese Minimalwerte aber zum Teil noch ganz erheblich übertroffen und Werte erzielt worden, wie aus nachfolgender Tabelle ersichtlich.

Stangen für Maschinenteile mit gewünscht

höchster höchster

Festigkeit Zähigkeit

bei gleich- bei gleich-

zeitig nicht zeitig nicht

so hoher so hoher

Zähigkeit Festigkeit

- Streckgrenze R0,2 [N/mm²] 720 635

- Proportionalitätsgrenze [N/mm2 ] 680 595

- Dehnung A [% ] 17 22

- Einschnürung Z [% ] 56 56

- Kerbschlagzähigkeit gemessen

an ISG-U-Proben [J ] 26 37

- ZUg-Druck-Wechselfestigkeit

ZDW an gestrahlten Proben >460 >400

mit PI 16 mm [+ N/nin2]

Die in vorstehenden Tabellen angegebenen Festigkeits-und Zähigkeitswerte zeigen mit großer Deutlichkeit die bislang nicht gegebene Möglichkeit auf, Stangen zur Herstellung von statisch und/oder dynamisch hochbelastbaren Maschinenteilen aus relativ billigem mikrolegiertem Stahl warmwalzen zu können. Geschaffen wird diese Möglichkeit erst durch die erfindungsgemäßen Verfahren, die wiederum für sich gesehen mit einfachem Aufwand durchführ bar sind.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von warmgewalzten Stangen mit einem Querschnitt bis zu etwa 200 cm2 aus einem mikrolegierten Stahl, der (angegeben in Gewichtsprozent) 0,3 bis 0,65 % Kohlenstoff, weniger als 1,2 % Silizium, 0,3 bis 0,8 % Mangan, weniger als 0,065 % Schwefel, insgesamt 0 bis 0,7 % Chrom und/oder Nickel und/oder Kupfer und/oder Molybdän, 0,005 bis 0,025 % Stickstoff, und als ausscheidungshärtende und/ oder feinkornbildende Elemente insgesamt 0,05 bis 0,20 % Vanadium und/oder Niob und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Zirkon, ferner 0,0005 bis 0,005 % Bor, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen aufweist, wobei der Chrom- und Mangananteil insgesamt nicht größer als 1,0 % ist, aus welchen Stangen statisch und/oder dynamisch hochbelastbare Maschinenteile gefertigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzung der Stangen innerhalb eines Temperaturbereichs von 800 OC bis 1150 OC beendet wird, und dann die Stangen gesteuert durch ein gasförmiges oder flüssiges oder als Sprühnebel zerstäubtes Kühlmittel mit einer im Stangenwerkstoff unter Vermeidung einer nennenswerten Bainitbildung eine Ausscheidungshärtung und/oder Feinkornbildung sowie ein möglichst vollständiges ferritisch - perlitisches Gefüge bewirkenden Abkühlgeschwindigkeit von etwa 1,5 °C bis 10 OC pro Sekunde abgekühlt werden auf wenigstens 50 OC unterhalb jener Temperatur, bei der Umwandlung in Ferrit und Perlit beendet ist.
2. Verfahren zur Herstellung von wanmgewalzten Stangen mit einem beliebigen Querschnitt aus einem mikrolegierten Stahl, der (angegeben in Gewichtsprozent) 0,3 bis 0,65 % Kohlenstoff, weniger als 1,2 % Silizium, mehr als 0,8% Mangan, weniger als 0,065 % Schwefel, ingesamt 0 bis 0,7 % Chrom und/oder Nickel und/oder Kupfer und/oder Molybdän, 0,005 bis 0,025 % Stickstoff, und als ausscheidungshärtende und/oder feinkornbildende Elemente insgesamt 0,05 bis 0,20 % Vanadium und/oder Niob und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Zirkon, ferner 0,0005 bis 0,005 % Bor, Rest Eisen und erschmelzungebedingte Verunreinigungen aufweist, wobei der Chrom- und Mangananteil insgesamt nicht größer als 2,0 % ist, aus welchen Stangen statisch und/oder dynamisch hochbelastbare Maschinenteile gefertigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzung der Stangen innerhalb eines Temperaturbereiches von 800 bis 1150 0c beendet wird, und dann die Stangen gesteuert durch ein gasförmiges oder flüssiges oder als Sprühnebel zerstäubtes Kühlmittel mit einer im Stangenwerkstoff unter Vermeidung einer nennenswerten Bainitbildung eine Ausscheidungshärtung und/oder Feinkornbildung sowie ein möglichst vollständiges ferritisch -perlitisches Gefüge bewirkenden Abkühlgeschwindigkeit von etwa 0,5 bis 5 OC pro Sekunde abgekühlt werden auf wenigstens 50 0c unterhalb jener Temperatur, bei der Umwandlung in Ferrit und Perlit beendet ist.
3. Verfahren zur Herstellung vonwarmgewalzten Stangen mit einem Querschnitt bis zu etwa 200 cm2 aus einem mikrolegierten Stahl, der (angegeben in Gewichtsprozent) 0,3 bis 0,65 % Kohlenstoff, weniger als 1,2 % Silizium, 0,3 bis 0,8 % Mangan, weniger als 0,065 % Schwefel, insgesamt 0 bis 0,7 % Chrom und/oder Nickel und/oder Kupfer und/oder Molybdän, 0,005 bis 0,025 % Stickstoff, und als auscheidungshärtende und/ oder feinkornbildende Elemente insgesamt 0,05 bis 0,20 % Vanadium und/oder Niob und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Zirkon, ferner 0,0005 bis 0,005 % Bor, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen aufweist, wobei der Chrom- und Mangananteil insgesamt nicht größer als 1,0 % ist, aus welchen Stangen statisch und/ oder dynamisch hochbelastbare Maschinenteile gefertigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen nach dem Walzen einer speziellen Wärmebehandlung unterzogen werden und dabei ausgehend von einer Temperatur, bei der das Gefüge ferritisch- perlitisch ist, auf eine Temperatur zwischen 800 und 1000 OC erwärmt werden und dann ausgehend von dieser Temperatur gesteuert durch ein gasförmiges oder flüssiges oder als Sprühnebel zerstäubtes Kühlmittel oder durch Wirbelschichtkühlung mit einer im Bauteilwerkstoff unter Vermeidung einer nennenswerten Bainitbildung eine Ausscheidungshärtung und/oder Feinkornbildung sowie ein möglichst vollständiges ferritisch - perlitisches Gefüge bewirkenden Abkühlgeschwindigkeit vo etwa 1,5 bis 10 OC pro Sekunde abgekühlt werden auf wenigstens 50 OC unterhalb jener Temperatur, bei der Umwandlung in Ferrit und Perlit beendet ist.
4. Verfahren zur Herstellung von warmgewalzten Stangen mit einem beliebigen Querschnitt aus einem mikrolegiertem Stahl, der ( angegeben in Gewichtsprozent) 0,3 bis 0,65 % Kohlenstoff, weniger als 1,2 % Silizium, mehr als 0,8% Mangan, weniger als 0,065 ° Schwefel, insgesamt 0 bis 0,7 % Chrom und/oder Nickel und/oder Kupfer und/oder Molybdän, 0,005 bis 0,025 e Stickstoff,und als ausscheidungshärtende und/oder feinkornbildende Elemente insgesamt 0,05 bis 0,20 t Vanadium und/ oder Niob und/oder Titan und/oder Aluminium und/ oder Zirkon, ferner 0,0005 bis 0,005 % Bor, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen aufweist, wobei der Chrom- und Mangananteil insgesamt nicht größer als 2,0 t ist, aus welchen Stangen statisch und/oder dynamisch hochbelastbare Maschinenteile gefertigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen nach dem Walzen einer speziellen Wärmebehandlung unterzogen werden und dabei ausgehend von einer Temperatur, bei der das Gefüge ferritisch-perlitisch ist, auf eine Temperatur zwischen 800 und 1000 OC erwärmt werden und dann von dieser Temperatur ausgehend gesteuert durch ein gasförmiges oder flüssiges oder als Sprühnebel zerstäubtes Kühlmittel oder durch Wirbelschichtkühlung mit einer im Bauteilwerkstoff unter Vermeidung einer nennenswerten Bainitbildung eine Ausscheidungshärtung und/oder Feinkornbildung sowie ein möglichst vollständiges ferritsch - perlitisches Gefüge bewirkenden Abkühlgeschwindigkeit von etwa 0,5 bis 5 OC pro Sekunde abgekühlt werden auf wenigstens 50 OC unterhalb jener Temperatur, bei der Umwandlung in Ferrit und Perlit beendet ist.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei einem Stahl mit weniger als 0,6 % Silizium.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen auf eine Temperatur von weniger als 250 OC abgekühlt werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur, von der aus die Stangen abgekühlt werden, für den Fall einer erforderlich hohen Zähigkeit, jedoch nicht so extrem hoher Festigkeit im angegebenen Temperaturbereich näher bei 800 OC, also bei etwa 820 °C, und für den Fall einer erforderlich hohen Festigkeit, jedoch nicht so extrem hoher Zähigkeit im angegebenen Temperaturbereich näher zu dessen Obergrenze hin, etwa bei 950 0C liegt.